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해숙 선
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1 Nano-film Technology 제 9-10주: nano-film Lithography process and technique 동아대학교 화학공학과

2 나노필름 (Nano Films) 박막제조법 (Thin Film Deposition Techniques) Spin coating ( 회전력에의한물질코팅 ) Thermal evaporation ( 진공증착이라불림,5) Molecular beam epitaxy ( 초진공분자결정형성장, 증착 ) Sputtering(6) Chemical Vapor Deposition(7) Electrochemical Methods Self Assembly(1) LB-film(2) Layer-by-Layer (LbL) process(3) Lithography techniques (Soft lithography, 4) 분자성나노박막 관능기의배향의조절이분자수준에서가능한막 숫자는수업진행순서입니다. 주의 : 파워포인터파일을플래시파일은개인이모두내용을확인하여정리바람. 참고 : 박막의응용분야는 Display, 연료전지, 태양전지, 분석장비, 표면화학등이다.

3 반도체제조공정 -Overview

4 반도체제조공정 단결정성장 : 고순도로정제된실리콘용융액에 SEED 결정을접촉, 회전시키면서단결정규소봉 (INGOT) 을성장시킴. 2. 규소봉절단 : 성장된규소봉을균일한두께의얇은웨이퍼로잘라낸다. 웨이퍼의크기는규소봉의구경에따라 3",4", 6", 8" 로만들어지며생산성향상을위해점점대구경화경향을보이고있음 3. 웨이퍼표면연마 : 웨이퍼의한쪽면을연마하여거울면처럼만들어주며, 이연마된면에회로패턴을그려넣게됨.

5 반도체제조공정 회로설계 : CAD 시스템을사용하여전자회로와실제웨이퍼위에그려질회로패턴을설계함. 5.MASK(RETICLE) 제작 : 설계된회로패턴을 E- beam 리소그래피로유리판위에그려 MASK(RETICLE) 를만듬.

6 반도체제조공정 산화 (OXIDATION) 공정 : 고온 (800~1200 ) 에 서 산소나수증기를실리 콘 웨이퍼표면과화학반 응시켜얇고균일한실리콘 산화막 (SiO 2 ) 를형성시키 는공정 7. 감광액 (PR;PhotoResist) 도포 : 빛에민감한물질인 PR을웨이퍼표면에고르게도포시킴. 8. 노광 (EXPOSURE): MASK 에그려진회로패턴에빛을통과시켜 PR막이형성된웨이퍼위에회로패턴을사진찍는공정 9. 현상 (DEVELOPMENT) : 웨이퍼표면에서빛을받은부분의막을현상시키는공정. ( 일반사진현상과동일 ).

를사용하여필요없는부분을선택적으로제거시키는공정. 이러한패턴형성과정은각패턴층에대해계속적으로반복됨.

GAS 입자형태로가속하여웨이퍼의내부에침투시킴으로써전자소자의특성을만들어줌.

) 12. 화학기상증착 (CVD; Chemical Vapor Deposition) 공정 :

7 반도체제조공정 식각 (ETCHING) : 회로패턴을형성시켜주기위해화학물질이나반응성 GAS 를사용하여필요없는부분을선택적으로제거시키는공정. 이러한패턴형성과정은각패턴층에대해계속적으로반복됨. 11. 이온주입 (ION IMPLAN-TATION) 공정 : 회로패턴과연결된부분에불순물을미세한 GAS 입자형태로가속하여웨이퍼의내부에침투시킴으로써전자소자의특성을만들어줌. 이러한불순물주입은공온의전기로속에서불순물입자를웨이퍼내부로확산시켜주입하는 DIFFUSION( 확산 ) 12. 화학기상증착 (CVD; Chemical Vapor Deposition) 공정 : GAS 간의화학반응으로형성된입자들을웨이퍼표면에증착 ( 蒸着 ) 하여절연막이나전도성막을형성시키는공정. 13. 금속배선 (METALLIZATION) : 웨이퍼표면에형성된각회로를알루미늄선을연결시키는공정.

8 반도체제조공정 웨이퍼자동선별 (EDS TEST) : 웨이퍼에형성된 IC 칩들의전기적동작여부를컴퓨터로검사하여불량품을자동선별하는공정. 15. 웨이퍼절단 (SAWING) : 웨이퍼상의수많은칩들을분리하기위해다이아몬드톱을사용하여웨이퍼를절단하는공정. 16. 웨이퍼표면연마 : 웨이퍼의한쪽면을연마하여거울면처럼만들어주며, 이연마된면에회로패턴을그려넣게됨.

9 반도체제조공정 금속연결 (WIRE BONDING) : 칩내부의외부연결단자와리드프레임을가는금선으로연결하여주는공정. 18. 성형 (MOLDING) : 칩과연결금선부분을보호하기위해화학수지로밀봉해주는공정 번과정이리소그래피와관련있음 19. 최종검사 (FINAL TEST) : 성형된칩의전기적특성및기능을컴퓨터로최종검사하는공정으로최종합격된제품들은제품명과회사명을 MARKING 한후입고검사를거쳐최종소비자에게판매됨.

10 Lithography 란? Lithography 정의 - Semiconductor manufacturing : 석판화기술, 인쇄기술 : litho( 돌 ) + graphy( 그림, 글자 ) 흔히노광기술이라고도이야기하지만이는잘못된표현이며 ( 노광기술은광학리소그래피의아주작은부분 ), 일반적으로 lithography 란표현이타당함. microlithography = transfer the pattern of circuitry from a photomask (a quartz plate containing the "master copy" of microscopic integrated circuitry) to a wafer (a thin slice of silicon or other semiconductor material on which chips are made) - Today s approach : use a combination of shorter wavelengths of light and larger lenses to create smaller, more precise circuit patterns. 교과서에서는전자빔노광기술 (E-beam lithography) 이설명되어있다.

11 전통적인리소그래피 : 광학리소그래피 마스크의패턴을감광저항체 (Photoresist) 에전사하는방법 장점 : 대량생산에적합. 단점 : nm 장벽 을극복할수없다. (100nm 장벽 : 렌즈로사용되는광학물질의투명도에대한단파장차단과광학굴절에의해결정되는대상체축소의한계값 ) 2. 비평면표면에부적합 3. 표면에특정한화학적기능성을가진패턴형성불가 4.2 차원구조물제작만가능. 5. 감광저항체에대해서만적용 ( 적용물질한정 )

12 Lithography Process -optical

13 Mask 란무엇인가?//01 광리소그래피에서 mask( 도장 ) 은빛이통과하는부분과통과하지않는부분으로구분.

14 Optical lithography 에서패턴의전사 ( 이동, stamp) 나노도장은어떻게찍는가? Mask 노광 chrome Resist 전사될표면 빛을받았을때광중합이일어나면 Negative resist( 모양이남는다 ), 광중합이안일어나면 Positive resist 라 ( 모양이안남는다 ) 한다. Resist 라는말이저항이라는개념이기때문에패턴이남고남지안는것에비교하면반대의말이된다.

15 Positive and negative resist: Mask 제작및 stamp 제작 P.R. : 빛이닿은부분이떨어져나감 회절의한계 :100 nm

16 소프트리소그래피 ( 비광학적방법 ) 소프트리소그래피의장점및단점 장점 ( 비광학리소그래피 ) 저렴한제작비표면에다양한화학적성질을가진패턴형성가능 다양한재료에적용 유사 3 차원구조물제작가능 비평면표면에구조물및패턴생성가능 100nm 장벽극복 ( 크기가 30 nm~500 μm 사이의형상또는구조물제작가능 ) 단점 스탬프, 주형 (mold) 의변형 형성된패턴내에서결함밀도 (density of defect) 고분해능맞춰찍기의어려움

17 Soft lithography: 폴리머스탬프 1. 탄성중합체스탬프 (elastometric stamp) 정의 소프트리소그래피의핵심요소표면에양각패턴이새겨진탄성중합체재료 PDMS (polydimethysiloxane): 가장널리쓰임, 열중합재료. 폴리마이드 (polyimide) 폴리우레탄 (polyurethanes) 교차결합노발릭수지 (cross-linked NovolacTM resins) CH2 CH2 2. PDMS 낮은유리전이온도를갖고있어, 상온에서액체상태 교차결합 ( 열경화성 ) 을시키면고체상태의탄성체로쉽게변화

18 폴리머스탬프 제작공정 주형성형 (Casting molding) 을이용. 제작순서 마스터 (Mask) 또는 Stamp 제작 포토리소그래피 ( 혹은전자빔리소그래피, sub100 nm) 를이용하여제작한다. 마스터표면은양각패턴를갖고있다.

19 폴리머스탬프 액상폴리머주입 경화및탈형 - 마스터표면에액상폴리머를주입한다. - 경화 : 액상폴리머를경화시켜고상폴리머로만든다 ( 온도처리 C). - 탈형 : 마스터를식각을통해제거한다 - 양각의패턴이있는스탬프를생성한다

20 폴리머스탬프 PDMS 스탬프의장점과단점장점 화학적비활성 비공기흡식성 ( 공기에의해변형이없음 ) 중합후우수한열안정성 ( 공기중에서 186 ) 파장 300nm 까지의빛투과 등방성, 균질성물질 내구성이우수 ( 물리화학적안정성 ) 쉽게변경할수있는계면특성 단분자수준에서수십나노미터높이까지막의두께조절가능 ( 점성이낮다 ) 단점 경화과정에서발생하는 1% 수축 경화후용매에의한팽창 탄성과열팽창으로인한넓은영역에서의정확도표시난해 재료의유연성으로인한외형비 (aspect ratio) 제한 - 접합 (pairing), 처짐 (sagging, d 20h): 어떻게해결할수있나?

21 나노입자를이용한 soft lithography

22 폴리머스탬프를이용한회로설계 금속성물질을 stamp 에적시어실리콘기판에전사하는방법

23 Sputtering process 물리적박막성장법 Ar+ impact, momentum transfer at cathode e- 의급격한축적및 target atoms, ions 가방출됨 : 플라즈마 : 이온과전자의흐름 Atomic billards( 원자당구 ) Elastic energy transfer But e- can give up all its E k in inelastic collision

24 Thermal Evaporation( 열증발박막제작, 진공증착 )

25 MBE 와 Sputtering 의원리 //01 교과서의 Molecular beam epitaxy( 분자빔적층성장법 ) 참고

플라즈마가막으로변환되는과정정리 1) Ar+ accelerated to cathode( 전자와의접촉 ) 5) Deposited at anode: Al, some Ar, some impurity 2) Neutral target species (Al) kicked off; 3) Some neutral Ar and e- also come out 4) e-

26 플라즈마가막으로변환되는과정정리 1) Ar+ accelerated to cathode( 전자와의접촉 ) 5) Deposited at anode: Al, some Ar, some impurity 2) Neutral target species (Al) kicked off; 3) Some neutral Ar and e- also come out 4) e- may ionize impurity (ex) O O-) 6) Some physical resputtering of Al by Ar Ar이온은분자운동이극대화되어있는상태. 외부에서가한전압에의하여 + 와 - 극이생성되어있다. 일반적으로운동에너지를받은금속원자는 anode로돌진하여축적. 이때중성의 Ar도함께축적. 반복된축적은 Ar의밀도를낮게하여결국순수한박막이형성된다.

27 제 9-10주: nano-film Sputtering process: Experimental movie 장비가 어렵다구? 겁먹지 말자.. 펌프가 장비를 복잡하게 한다. 동아대학교 화학공학과

28 Sputtering법에 의해 제조된 박막 제 9-10주: nano-film 스파터링 된 알루미늄 박막 막의 두께 조정은 적층시간에 의하여 조절되며 10 nm 이상의 박막을 만들기에 적당하다. Target재료는 일반적으로 금속이 대부분이지만, 장비의 반응셀에 산소를 주입하면 산화 물 박막도 제작이 가능하다. 박막의 순도는 일반적으로 99 % 이상이다. 동아대학교 화학공학과

29 Chemical vapor deposition (CVD)//02

30 원리 disproportionation: 생성물의불균일화반응

31 CVD 장치

32 CVD 요약

33 CVD 요약 boundary

34 CVD 의장단점 - 챔버설계, 기체의이동에대한정확한설계가어렵다 불균질한막제작 - layer by layer 의성장에의해막성장속도가늦다. - 실제로가능한모든반응은막의형태로만들수있다.

35 CVD 에의한나노입자제작 Particle formation mechanisms in (a) homogeneous thermal CVD and (b) electrospray (ES)-CVD

36 CVD 로가능한반응들

37 생각할점 광학리소그래피가 100 nm 이하의구조물을제작하기힘든이유를설명하시요. Homogeneous 하게박막을제작할수있는방법의이름을모두열거하시요. 분자성박막과일반적인성장박막은어떤차이점이있습니까? SAM 박막의제작법의원리를설명하시요. LB 법에있어서다층박막의형성법과 LBL 의다층박박의형성법은원리적으로어떤차이가있고, 이들두방법에있어서박막의원료 ( 재료 ) 는어떻게다른가요? LB 법에있어서분자의밀도가아주높은막을만드는방법을설명하시요. PDMS 와 SAM 기술을이용하면분자성나노박막 ( 배향성이제어된막 ) 을원하는패턴모양으로만들수있다고합니다. 어떻게하면될까요. 박막의응용분야 (OLED, Solar cell, Fuel Cell 등 ) 에대하여조사하시오.

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<4D F736F F F696E74202D20B9DDB5B5C3BCB0F8C1A426B8DEB8F0B8AEBFEBBDC5BCD2C0E75FBEF7B7CEB5E52E707074> Chap. 1 Information/Communication Technology 반도체칩제조공정및메모리반도체 Advanced Materials and Future Technology Fabrication Processes of Semiconductor Chips ( 반도체칩제조공정 ) IC (Integrated Circuit) Devices ( 집적회로소자